海底铁路隧道施工方案及关键技术

海底铁路隧道施工方案及关键技术DrLiYongGeotechnical&StructuralEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity

为了沟通海峡两岸，加强经济、文化联系，方便老百姓，修建海底隧道十分必要。

一、台湾海峡海底隧道采用铁路隧道方案是合理的当今世界上已修建了许多海峡隧道，正在筹建的也很多。其中重点介绍已建的6座隧道。

1、1940年日本在关门最早用盾构法修建了世界上海底铁路隧道，其长度3.6km。

2、1975年日本用钻爆法在关门又建成了长18.7km的第二座海峡铁路隧道。

3、1988年日本在津轻海峡用钻爆法建成了至今世界上最长的海峡铁路隧道——青函隧道。其长度是54km。是目前正在论证的台湾海峡铁路隧道长度的一半。图3建成后的日本青函隧道图1日本青函隧道纵断面图图2日本青函隧道横断面图4、1994年，英法两国用盾构和TBM硬岩掘进机法建成了英法海底铁路隧道，其长度为50.5km，是世界第二长的海底铁路隧道。图4英吉利海峡隧道平面位置图图5开敞式TBM图7英法海峡隧道地质剖面及布置图图6英法海峡隧道图8英法海底铁路隧道5、1991年丹麦斯多贝尔修建的海峡公路隧道长7.9km，总造价约40亿元，盾构法施工长7.26km，浅埋暗挖法施工长度0.64km，盾构直径8.782m，管片厚40cm。图9盾构机图10剖面图6、日本东京湾海底公路隧道

1986年开工，1996年8月建成，10年工期，工程全长15.1km，其中海底盾构隧道长9.12km，是世界上最长的海底公路隧道，进、出口和2个竖井共8个工作面同时施工，8台泥水加压盾构，直径14.14m，双向6车道，采用复合式衬砌结构，管片厚65cm，二次衬砌钢筋混凝土厚35cm。

薄管片+二次模筑=复合衬砌结构,该型式耐久性好，强度高，适于铁路隧道或重要通道。二次模筑薄管片图11隧道断面图

上述六座海底隧道

成功建成，凸显了世界各国对修建海底隧道的高度重视和极大热情，也说明了海底隧道的设计技术、施工技术和施工工艺等已基本成熟，只要我们进一步在隧道埋深、结构耐久性和运营通风与防灾等方面加以研究，修建台湾海峡海底隧道方案是可行的和合理的。

同时，基于国内外海底隧道修建的成功经验，一般隧道长度大于20km以上的均采用铁路隧道，电力牵引，这样可长距离不设通风竖井、运营安全、风险小、运营费低；海底公路隧道设计长度不能超过10km。至于台湾海峡公路运输问题，原则是汽车坐火车跨越海峡。

1、长大隧道必须采用双洞单线，以利于施工通风；通风采用巷道式射流通风。

2、出渣运输采用大容量电力机车牵引；也可采用连续皮带机输送。

1）其连续皮带机相对有轨运输的优点如下：

二、台湾海峡海底特长铁路隧道断面设计

（1）后配套系统设计可缩短；（2）所需通风机功率将大为降低；（3）减少机车、车辆、翻车机及洞外轨道调度系统，运行管理简单；（4）安全性提高；（5）仰拱结构可简单。

2）连续皮带机的应用

(1)美国80%长大隧道工程项目采用连续皮带机出渣；

(2)欧洲近些年来长大隧道也大多采用连续皮带机出渣；

(3)中间驱动技术、控制技术的发展使连续皮带机技术趋于成熟，已具有较高可靠性；

(4)理论上，连续皮带机可以无限延伸，但目前的技术水平为15km.(5)国内大伙房输水工程采用连续皮带机出碴，最长运距达11.25km。

1）隧道净空面积的影响因素主要有以下几方面：

(1)隧道建筑限界线的间距；

(2)应预留的空间：安全空间、救援通道、工程技术作业空间、内部配件空间等；

(3)考虑空气动力学影响所需的空间。

3、铁路运营速度采用200km/h是最优速度。

4、隧道有效内净空面积:国内单线断面为60m2左右;双线断面为90m2左右。图12大伙房皮带输送机图13出碴设备2）空气动力学效应图14隧道微气压波的发生

3）高速列车在隧道内运行引起的问题高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生微气压波，使附近房屋震动，发出轰鸣声，引起扰民问题。4）不同运行速度国内外高速铁路隧道内净空断面设计情况如下表1、2所示。

表1国内外高速铁路隧道内净空面积表

国家

线别运营速度(km/h)断面积(m2)

日本

新干线240～30061～64

法国

大西洋线30071北方线、东南延伸线300100地中海线350100

德国汉诺威～维尔茨堡曼海姆～斯图加特汉诺威～柏林25082科隆～法兰克福30092

西班牙马德里～塞维利亚27075

韩国汉城～釜山350107中国台湾台北～高雄35090表2我国三专线三隧道三内净三空面三积序号

类别标准单线（m2）双线（m2）1200km/h客专近期客货共线53.0683.72200km/h客专近期双箱运输56.289.643250km/h近期客货共线5890.164250km/h近期双箱运输58.0893.765350km/h客运专线701005)海底三隧道三洞门三设计三型式三洞门三设计三原则三应为三喇叭三型，三可防三止突三变，三下图三洞门三设计三应该三借鉴图15海底三隧道三喇叭三型洞三门图16喇叭三型隧三道洞三门三、台湾三海峡三海底三铁路三隧道三建设三方案台湾三海峡三隧道三工程三线路三有北三线方三案、三中线三方案三、南三线方三案3个方三案（三见图18三-1三9）。三北线三方案三：福三清-平潭三岛-新竹三，长三约12三2k三m。中三线方三案：三莆田三笏石-南日三岛-苗栗三，长三约12三8k三m。南三线方三案：三厦门-金门-澎湖-嘉义三，长三约17三4k三m。对三上述三方案三的优三化、三比选三，北三线地三质稳三定，三线路三最短三，应三优选三北线三方案三，其三造价20三00亿元三左右三，工三期约10年；三南线三可选三用隧三道群三方案三。根三据地三形图三（见三图17）海三域最三深处三为80三-1三00三m，隧三道工三程宜三深埋三。图18方案1图19方案2图17台湾海峡海底地形图

四、三台湾三海峡三海底三铁路三隧道三施工三方法三选择1、无三论从三海底三隧道三的长三度来三看，三日本三是率三先建三成和三运营三的最三长、三最多三的海三底隧三道国三家，三其次三是挪三威、三丹麦三等国三。目三前，三国内三连接三国家三之间三、岛三屿之三间的三海底三隧道三也正三在筹三建。三据统三计，三采用三钻爆三法修三建的三海底三隧道三占90三%以上三，因三为它三是最三经济三、安三全风三险易三控制三和施三工工三艺最三成熟三的一三种施三工方三法。三如挪三威17条海三底隧三道全三部采三用钻三爆法三施工三。因此三，跨三海隧三道的三施工三方法三宜优三选钻三爆法三；其三次是TB三M、盾三构法三。2、水三下隧三道钻三爆法三和开三敞式TB三M施工三，衬三砌结三构采三用复三合式三衬砌三；盾三构法三施工三衬砌三采用三管片+二次三钢筋三混凝三土；三单层三管片三衬砌三不利三于百三年寿三命，三日本三已进三行过三这方三面的三研究三。3、青三函隧三道设三置超三前疏三水导三洞，三有利三于提三前排三水，三加快三主洞三施工三进度三。4、水三下隧三道最三小埋三深与三地质三条件三、施三工方三法和三支护三结构三形式三等关三系密三切。三一般三盾构三法洞三顶埋三深为1倍洞三径；TB三M埋深三为1.三5～三2倍洞三径；三钻爆三法埋三深为2～三3倍洞三径。三城市三水下三隧道三受地三形限三制一三般采三用浅三埋；三而台三湾海三峡隧三道不三受地三形限三制，三且海三岸地三质变三化大三，采三用深三埋方三案风三险最三小，三施工三方法三可选三用开三敞式三掘进三机法三和钻三爆法三。5、台三湾海三峡隧三道穿三越硬三岩，三宜采三用全三断面三开敞三式掘三进机三，不三宜采三用双三护盾三掘进三机。三中间三断层三、软三弱地三带采三用浅三埋暗三挖法三，横三通道三采用三钻爆三法施三工。三下面三介绍三使用三掘进三机施三工的三有关三水下三隧道三。图20引黄三北干三渠（41三89三m）图21上三公三山三隧三道（1）双三护盾TB三M的施三工问三题虽然三双护三盾式TB三M有圆三筒形三护盾三保护三结构三，它三可在三掘进三同时三进行三了管三片的三安装三，但三是它三适用三的地三层是三相对三稳定三、岩三石抗三压强三度适三中、三地下三水不三发育三的条三件；三当它三通过三地应三力变三化大三、围三岩破三碎、三岩体三为块三体结三构的三地层三时，护盾三常常三被卡三住，三脱困三难度三极大三。工三程界三有不三少经三验介三绍设三备被三卡住三后的三脱困三处理三技术三极其三复杂三，且三处理三时间三较长三，台三湾坪三林隧三道涌三水及三被卡三后的三脱困三处理三也是三极其三艰难三的。采用三双护三盾施三工时三，由三于施三工经三验及三对护三盾姿三态控三制等三原因三，会三产生三盾尾三管片三拼装三空隙三不足三，从三而引三起管三片错三台、三管片三裂缝三，严三重时三甚至三导致三隧道三轴线三偏离三，应三引起三高度三重视三。此三外，三追求三掘进三速度三而忽三视管三片背三后注三入豆三砾石三和灌三浆工三序，三也会三对工三程带三来严三重的三质量三事故三。（2）开三敞式三掘进三机是三长大三水下三隧道三最好三的选三择由于三任何三隧道三的地三质状三况、三围岩三性质三都有三显著三的变三异性三、以三及非三均质三性，三因此三选择三开敞三式掘三进机三的目三的是三除发三挥出三它所三具备三的硬三岩掘三进性三能外三，它三还具三备了三在不三借助三其他三手段三和措三施的三条件三下，三具有三通过三软弱三围岩三、断三层等三不良三地质三的能三力，三可独三立地三完成三不良三地质三隧道三的掘三进。开敞三式TB三M在对三付较三完整三、有三一定三自稳三性的三围岩三时，三能充三分发三挥出三快速三掘进三的优三势。三特别三是在三硬岩三、中三硬岩三掘进三中，三强大三的支三撑系三统为三刀盘三提供三了足三够的三推力三；使三用开三敞式TB三M施工三可以三直接三观测三到被三开挖三的岩三面，三有利三于对三已开三挖的三隧道三进行三综合三地质三描述三，及三时调三整掘三进参三数。三特别三是开三挖和三支护三分开三进行三，使三开敞三式TB三M刀盘三附近三有足三够的三空间三用来三安装三一些三临时三、初三期支三护的三设备三，如三钢拱三架安三装机三、锚三杆钻三机、三超前三钻机三、喷三射混三凝土三机械三手等三，应三用新三奥法三原理三使这三些辅三助设三备可三及时三地、三有效三地对三不稳三定围三岩进三行支三护。以维三护和三利用三围岩三的自三稳能三力为三基点三，采三用锚三喷联三合支三护体三系，三及时三进行三支护三，有三效地三控制三围岩三的变三形，三使围三岩成三为支三护体三系的三组成三部分三，形三成了三以锚三杆、三喷射三混凝三土和三围岩三三位三一体三的承三载结三构，三共同三受力三，保三持围三岩的三稳定三。图22开敞三式TB三M图23护盾三式TB三M（3）开三敞式TB三M具有三两大三特点1）灵三敏度三高、三长度/直径三≤1，易三精确三调方三向可三在±3三0m三m内；2）能三够及三时对三不良三地层三进行三及时三支护三，时三空效三应好三，不三易塌三。总之三，开三敞式TB三M既适三用于三硬岩三地层三，也三很适三用于三软岩三地层三，大三伙房87km供水三工程三应用三非常三成功三。（4）双三护盾三、单三护盾TB三M具有三四大三缺点1）灵三敏度三低，三很难三精确三快速三调整三到位三；2）由三于后三盾较三长，三不易三及时三支护三，易三塌方三，易三卡死三，如三台湾三坪林三隧道;3）造三价高三，是三开敞三式TB三M的1.三3倍;4)衬砌三必须三用管三片，三造价三高于三复合三衬砌三的2倍左三右。因此三，双三护盾三掘进三机经三工程三实践三验证三不宜三使用三。图24台湾三雪山三（坪三林）三隧道三双护三盾掘三进机6、沉三埋管三段法三不适三于长三大隧三道（三大于6k三m）、三不适三于硬三岩地三层、三更不三适用三台湾三海峡三。7、在三软弱三、不三稳定三地层三宜采三用盾三构法三施工三，但三盾构三直径三宜小三于12三m。如三琼州三海峡三水下三隧道三长度34三km，穿三越软三弱地三层，三宜采三用土三压平三衡复三合式三盾构三。五、三蓬勃三发展三的国三内江三、河三、海三底隧三道序号跨海通道称呼地区全长(M)其中:海面下长(KM)建筑设想提出时间开工年月通车年月技术类型交通类型工程造价(亿元人民币)投资方式备注1港九中线海底隧道（红海底隧道）香港18861.619561969.91972．12沉埋法公路隧道17．6BOT企业投资2地铁海底隧道香港约20001.419771980沉埋法铁路隧道BOT企业投资3港九东线海底隧道香港40002.219851990沉埋法公铁两用隧道35.3BOT企业投资4港九西线公路隧道香港20001.3619811993.81997.4沉埋法公路隧道46.7BOT企业投资5港九西线铁路隧道香港20001.2619951998沉埋法铁路隧道9.3BOT企业投资6高雄海底隧道台湾高雄22501.061984沉埋法公路隧道政府投资7厦门海底隧道福建厦门9000620世纪80年代2005.42009(预计)矿山法公路隧道39.5(含配套工程)银行垡贷款在建中表3：国内三海底三隧道8大连海底隧道辽宁大连60003200320072011钻爆法公路隧道拟建9胶州湾湾口海底隧道山东青岛61703.320世纪80年代2006.62009矿山法公路隧道31.8BOT企业投资拟建10台湾海峡海底隧道福建台湾约130KM1948拟建11琼州海峡海底隧道广东海南34KM18KM1980约2010盾构法铁路隧道200拟建12港岛-北京大屿山海底隧道香港10KM公路隧道拟建13孙逸仙大马路-友谊大马路海底隧道澳门公路隧道拟建14海凼第一海底隧道澳门公路隧道拟建15海凼第二海底隧道澳门公路隧道拟建16长江口海底隧道上海8.9KM盾构公路隧道拟建表4跨海桥隧1长江口隧桥工程上海25.5KM123拟建其中:隧底隧道8.9KM盾构公路隧道跨海大桥10.3KM公路桥2大连-烟台胶州湾山东烟台辽宁大连130KM1992.1拟建其中:海底隧道123KM铁路隧道跨海大桥7KM公铁两用桥3港珠澳海上通道香港珠海澳门36KM～28KM2003～2010沉管法公路隧道～400亿BOT拟建其中:海底隧道～16KM跨海大桥～20KM盾构法钻爆法1、厦门三公路三越海三隧道由于三隧道三穿越三地层三为质三地良三好的三花岗三岩，三决定三采用三双向三六车三道钻三爆法三施工三，中三间设三管廊三式服三务通三道；三通过三对钻三爆法三、TB三M法、三沉管三法、三盾构三法比三选，三由于三围岩三较好三，沉三管法三和盾三构法三技术三不可三行，三被否三定，三钻爆三法比TB三M法又三便宜5亿多三，故三最终三方案三选用三施工三技术三成熟三、灵三活的三钻爆三法。三目前三该隧三道已三经运三营通三车。图25厦门三海底三隧道三平位三置图图26厦门三海底三隧道三剖面三图图27厦门三海底三隧道三效果三图图28建成三投厦三门海三底隧三道2、武三汉长三江第三一隧原定三为沉三管法三方案三，因三施工三干扰三大，三冲刷三变化三大，三干坞三不易三选择三，造三价太三高而三否定三；由三于隧三道穿三越粉三细沙三不稳三定地三层，三决定三采用三双向三四车三道、三泥水三加压三式盾三构，三盾构三直径11三.4三m，采三用复三合式三刀具三，以三实现三长距三离不三换刀三掘进三；同三时，三江下三取消三了横三通道三，有三利于三运营三隧道三变位三而不三开裂三。图30武汉三长汉三隧道三横断三面图图29武汉三长江三隧道三平面三位置三图图31建成三后武三汉长三江隧三道3、武三汉汉三阳二三次穿三越长三江水三底公三路隧三道，三设计三为双三向四三车道三采用三盾构三法施三工，三盾构三直径11三.4三m。4、南三京-浦口三长江三第二三隧道是铁三路高三速跨三越点三，原三定沉三管法三，后三因冲三刷深三度变三化较三大，三流速三大而三改为三盾构三法三。目前三，南三京市三政府三采用三双向三六车三道，工三程造三价约44亿元三。采用三大直三径15三m泥水三盾构三，造三价高三，风三险大三，埋三深也三要加三大。因15三m盾构三制造三风险三很大三，施三工风三险更三大，三而且三盾构三机的三制造三费用三高，三约3.三5亿元/台。三采用三分离三式两三条双三向四三车道三的过三江隧三道方三案，三可以三避免三大直三径盾三构所三带来三的施三工风三险，三大大三降低三工程三造价三，提三前工三期。三因此三用盾三构法三施工三的水三下隧三道适三合双三向四三车道三，不三宜采三用双三向六三车道三；断三面直三径不三宜超三过12m。图3315三m的隧三道断三面图图32南京三长江三隧道三平面三位置三图5.杭州三市庆三春路三钱塘三江市三区水三底隧三道采用三双向三四车三道盾三构方三案，三理念三正确三，已三进行三了安三全、三风险三评估三，对三环境三影响三很小三。图34杭州三庆春三路隧三道断三面图图35建成三后杭三州庆三春路三隧道6、联三结青三岛－三黄岛三胶州三湾海三底隧三道三由三于穿三越优三质花三岗岩三地层三，采三用双三通道三六车三道钻三爆法三施工三方案三，设三计合三理，三施工三顺利三，目三前已三贯通三。原三青岛三侧的三交通三联结三方式三设计三采用三高架三穿越三城区三，影三响环三境，三经三论证三改为三地下三，取三消高三架。图36青岛三海底三隧道三平面三位置图37青岛三海底三隧道三效果三图7、广三深港三铁路三客运三专线三狮子三洋双三洞单三线铁三路隧三道全三长10三.8三km，双洞三单线三隧道盾构三施工三长9.三34三9k三m，隧三道内三径9.三8m，管三片厚0.三5m，采三用4台泥三水盾三构，三两端三对接三，洞三内解三体的三施工三方案三，施三工顺三利，三目前三已接三近贯三通。图38线路三走向图39工程三范围图40隧道三地质三纵断三面图图41隧道三效果三图8、沪三通铁三路穿三越长三江铁三路隧三道单三洞双三线或三双洞三单线三两种三方案三等对三比，三长约17三km。图42隧道三地质三纵断三面图图43隧道三平面三位置三图图44隧道三断面三图9、港三、珠三、澳三海上三大通三道全长36三km，分三别由6k三m沉埋三管段三和大三桥相三联后三，用3.三6k三m盾构三或浅三埋暗三挖法三修建三隧道三，在三珠海三拱北三上岸三，再三用桥三和6k三m长的三山岭三隧道三相联三，并三和太三澳公三路联三通，三工程三规模三为双三向六三车道三。图45平面三位置三图图46隧道三埋位三置图图47隧道三埋深三位置三图10、上三海地三区多三条水三底隧三道穿三越黄三浦江三，均三采用三双向三四通三道，三盾构三法施三工，三效果三很好三，两三端接三线容三易，三方便三市民三。11、大三连市三区海三湾海三底隧三道经过三桥、三隧对三比，三决定三采用三双向三六车三道，三钻爆三法施三工方三案。三因该三地区三的岩三体为三花岗三岩，三地质三条件三很好三，采三用钻三爆法三施工三不破三坏环三境，三少占三地，三少拆三迁。沉管三法在三该市三区海三湾不三宜应三用：三原因三如下三：（1)软土三层薄,且隧三道全三长2/三3以上三处于三岩石三之中三，世三界上11三0多条三沉管三隧道三只有三一条三是建三（放三）在三岩石三上，三其他三全部三在不三稳定三粉细三砂、三极软三弱地三层，三因地三层贯三入度<3三0时水三中基三槽很三难开三挖，三水下三大量三爆破三在技三术上三不可三行；（2)水下三爆破三工期三不可三控；（3)施工三干扰三大、三影响三周围三航运三、扰三民、三破坏三海洋三生态三；（4)造价三高，75～10三0万/m；（5)两端三引线三难以三处理三，干三坞面三积大三，不三易寻三找。12、上三海浦三东至三长兴三岛水三底隧三道双向三六通三道，三采用三盾构三法施三工，三盾构三直径15三.1三8m，长三距离4k三m掘进三，风三险很三大，三需认三真研三究，三尤其三不易三在江三中设三置横三通道三，取三消横三通道三对两三个主三体隧三道的三结构三沉降三控制三十分三有效三，对三防止三结构三开裂三也非三常有三利。图48盾构15三.1三8m13、我国三大陆三第一三条用三沉埋三管段三法修三建的三甬江三水底三隧道三，隧三道由4节85三m长和1节80三m长管三段组三成。图49干坞三施工三图14、广三州市三区地三铁和三城市三交通三多条三穿越三珠海三水底三隧道三正在三设计三、施三工的三有五三条，三由于三水浅三、隧三道短三、没三有航三运，三所以三采用三双向三六通三道沉三埋管三段方三案。图50沉管三隧道三断面三图图51隧道三单元三预制三图图52沉管隧道三效果三图15三.琼州三海峡34三km跨海三隧道三，采三用浅三埋暗三挖法三和盾三构法三修建三铁路三海底三隧道三，正三在论三证中三，目三前采三用轮三渡过三渡。图53琼州三海峡三隧道三西线三方案三纵断三面图16、渤三海湾三大连三至烟三台11三0k三m跨海三铁路三隧道三，可三以采三用钻三爆法三、TB三M法和三盾构三法修三建。17、长三沙浏三阳河三水下三铁路三、公三路隧三道，三应用三浅埋三暗挖三法修三建，三已经三通车三运营三。18、已三经开三工修三建的三长沙三湘江三水下三公路三隧道三，采三用钻三爆法三施工三，施三工顺三利。图54大连三至烟三台隧三道三平面三位置三图图55建成三后的三浏阳三河隧三道19三.其他三水下三隧道南水三北调三供水三工程三、输三气工三程、三污水处三理工三程、三铁路三过江三工程三等，三有的三建成，三有的三正在三建设三和筹三建中三，分三别采三用盾构三法或三钻爆三法。图56穿黄三隧洞三纵断三面示三意图图57穿黄三隧洞三效果三图六、三理念三的更三新1.审核三一个三工程三修建三的好三坏应三遵守三环境三效益三第一三、社三会效三益第三二、三工程三本身三效益三第三三的次三序进三行评三定，三确保三建一三个工三程就三给人三民和三后代三留下三精品三遗产三，不三要留三下让三人唾三骂的三遗憾三工程三。2.修建三任何三工程三都应三遵守三少拆三迁、三少占三地、三少扰三民、三少破三坏周三边环三境的三原则三。3、提三倡修三建城三市隧三道，三少修三或不三修建三桥梁当前三，尤三其在三市区三修建三过江三、过三海隧三道，三比修三建桥三梁有三五大三优点三：(1三)不破三坏航三运，三不影三响海三域生三态环三境，三不破三坏大三自然三，有三利于三环境三的保